3.5 Le Fuzzy Logic Organization Reasoning Engine
3.5.1 Introduction à la logique floue
3.1 - Materiais de consumo
Afim de atingir os objetivos estabelecidos, os mateirias utilizados neste trabalho foram a chapa laminada, com 22 mm de espessura, do aço inoxidável superduplex UNS S32750 como material de base e o arame eletrodo AWS E2594-NL de 1,2 mm de diâmetro como metal de adição. A composição química dos materiais, de acordo com a esepecificação do fabricante SANDVIK® pode ser vista na Tabela 3.
Tabela 3. Composição química dos materiais como especificado pelo fabricante (%, em peso).
Material Cr Ni Mo N C Si Mn Fe UNS S32750 25,0 7,0 4,0 0,3 0,03 0,8 1,2 Bal. AWS E2594-NL 25,0 9,5 4,0 0,24 0,015 0,4 0,4 Bal.
O material de adição possui composição química similar, com exceção do elemento de liga Ni, no qual há uma adição de 2,5% em relação ao material de base. Esta adição é uma prática comum adotada para os metais de adição ligas inoxidáveis duplex e superduplex, que tem como objetivo melhorar o balanço microestrutural ferrita/austenita na ZF devido à maior formação de austenita durante o resfriamento. Este efeito é resultado da característica austenitizante do Ni.
3.1.1 - Gases de proteção
Foram utilizadas duas misturas para a soldagem multipasse:
Mistura binária Argônio-Dióxido de Carbono (98% Ar + 2% CO2)
Mistura ternária Argônio-Hélio-Dióxido de Carbono (60% Ar + 38% He + 2% CO2).
A mistura binária foi escolhida por ser comumente utilizada, onde a adição de CO2 é feita para melhorar o potencial de oxidação do gás, permitindo um arco elétrico mais estável e um melhor perfil de penetração. A escolha por incluir a mistura ternária no estudo se deve em função de que adição de He promove uma poça de fusão mais fluida e com uma maior área fundida. Tais características são apreciadas para a diminuição de descontinuidades em soldagens multipasses.
durante a soldagem (Figura 19).
Fonte eletrônica multiprocesso com capacidade para 450 A equipada com interface de comunicação com o robô.
Tocha de soldagem MIG/MAG e alimentador de arame.
Sistema de aquisição de dados para a obtenção das características dinâmicas do arco (tensão e corrente de soldagem) operando em frequência de 9600 Hz.
Figura 19. Bancada utilizada na soldagem das juntas. Robô industrial equipado com o equipamento de soldagem MIG/MAG.
3.2.2 - Preparação e caracterização microestrutural de amostras dos corpos de prova.
Serra de fita Lixadeira rotativa Politriz
Soprador térmico
Máquina fotográfica digital
Fonte de conrrente contínua para ataque eletrolítico Microscópio ótico (MO)
Microscópio eletrônico de varredura (MEV) equipado com dispositivo de análise por energia dispersiva de raios-X (EDS)
3.2.3 - Ensaios de corrosão
Potenciostato
Figura 20. Fluxograma das etapas realizadas no trabalho.
3.3.1 - Etapa 1: Soldagem das juntas
Foram realizados testes iniciais para se verificar a faixa operacional do processo, a fim de determinar os níveis dos fatores de controle: energia de soldagem, gás de proteção e formato de onda; visando atender ao objetivo de estudar o efeito desses fatores de controle sobre as características avaliadas. Assim, pela variação na corrente de soldagem, foram escolhidos três níveis de energia de soldagem (0,6 kJ/mm, 1,0 kJ/mm e 1,8 kJ/mm). Para o formato de onda, foi escolhida a corrente contínua e corrente pulsada, com o intuito de avaliar o efeito do formato de onda da corrente. As misturas argonio-dióxido de carbono e argônio-hélio-dióxido de carbono foram utilizadas para avaliar o efeito da adição de uma mistura que proporcione uma melhor
molhabilidade da poça de fusão. Os fatores de controle e níveis estudados estão dispostos na Tabela 4.
Tabela 4. Fatores de controle e os respectivos níveis utilizados no planejamento experimental
Fator de controle Nível 1 Nível 2 Nível 3
Energia de soldagem 0,6 kJ/mm 1,0 kJ/mm 1,8 kJ/mm
Formato de onda Contínua Pulsada -
Gás de proteção Ar + 38% He + 2% CO2 Ar + 2% CO2 -
A utilização do robô industrial neste trabalho é justificada pela necessidade de se manter os parâmetros de soldagem constantes em cada condição para uma correta avaliação de cada fator de controle nas características de resposta, já que a distância bico de contato-peça (DBCP) e a velocidade de soldagem são mantidas com grande precisão por este equipamento durante a soldagem. Conforme descrito na seção 2.4, a energia de soldagem é dada pela razão da potência do arco (produto da tensão e corrente) pela velocidade de soldagem (Equação 3). Logo, manutenção da energia de soldagem nos passes de soldagem durante o enchimento da junta foi atingida pela:
imposição da corrente pela utilização da fonte operando no modo corrente constante;
manutenção da tensão devido à velocidade de alimentação e DBCP mantidos constantes;
velocidade de soldagem constante pelo deslocamento do robô.
Dada a quantidade de fatores de controle e seus níveis, o planejamento experimental pelo fatorial completo resultaria em 12 ensaios (22 x 31), o que tornaria a exploração mais dispendiosa e lenta devido à maior complexidade na soldagem multipasse de juntas com a espessura adotada (22 mm). Assim, com o objetivo de reduzir a quantidade de experimentos sem prejudicar a determinação dos efeitos principais dos fatores de controle, optou-se em uma modificação do planejamento à partir do fatorial completo utilizando o planejamento por fatorial fracional com níveis mistos (2 e 3 níveis, neste caso). Esta matriz consiste de 8 ensaios com os fatores de controle e níveis dispostos conforme a Tabela 5. Apesar de não ser completa, a matriz experimental possui ortogonalidade, permitindo a estimativa pela análise de variância (ANOVA) do efeito principal dos fatores de controle sobre as características de resposta. Porém, os efeitos
3 2 1 1 4 2 2 2 5 2 1 2 6 2 2 1 7 3 1 2 8 3 2 1
Assim, os parâmetros de soldagem utilizados em cada ensaio são apresentados na Tabela 6. A alteração dos níveis de energia de soldagem se deu pelo aumento da corrente de soldagem, com a velocidade de soldagem mantida constante. Para a soldagem com corrente pulsada, a energia de soldagem foi calculada pelo conceito de corrente e tensão eficazes (Ief e Uef). A Tabela 7 apresenta os parâmetros de pulso, utilizado nas condições J2, J4, J6 e J8.
Tabela 6. Parâmetros de soldagem utilizados em cada junta. Junta Energia de soldagem
(kJ/mm)
Formato
de onda Gás de proteção (A) Ief (V) Uef (m/min) Valim (cm/min) Vsold
J1 0,6 Contínua 60% Ar + 38% He + 2% CO2 130 26 3,7 35 J2 0,6 Pulsada 98% Ar + 2% CO2 130 24 3,4 35 J3 1,0 Contínua 98% Ar + 2% CO2 200 32 7,4 35 J4 1,0 Pulsada 98% Ar + 2% CO2 200 30 7,2 35 J5 1,0 Contínua 60% Ar + 38% He + 2% CO2 200 33 7,6 35 J6 1,0 Pulsada 60% Ar + 38% He + 2% CO2 200 32 7,4 35 J7 1,8 Contínua 98% Ar + 2% CO2 300 36 11,3 35 J8 1,8 Pulsada 60% Ar + 38% He + 2% CO2 300 36 11,1 35
Tabela 7. Parâmetros de pulso utilizados.
Condição Ip (A) tp (ms) Ib (A) tb (ms) Im*(A) Ief** (A)
J2 270 1,8 70 8,0 107 132 J4 340 2,5 60 5,0 153 202 J6 340 2,5 60 5,0 153 202 J8 420 4,0 60 4,0 240 300 * ** √
Figura 21. Dimensões das juntas soldadas
As juntas foram ponteadas nas extremidades para a manutenção da abertura de raiz durante a soldagem do passe de raiz. Após isto, estas foram posicionadas na bancada e fixadas por grampos para minimizar a distorção das juntas, aumentando a restrição. Para a proteção do metal de solda do passe de raiz, foi utilizada uma alimentação de gás de purga pelo lado inferior da junta com Ar puro (Figura 22).
Figura 22. Fixação da junta de soldagem na bancada e a indicação da mangueira de alimentação de gás de purga pelo lado inferior da junta.
A temperatura de interpasse máxima foi controlada por meio de um termopar tipo K em 150 ºC. Entre cada passe de soldagem, foi realizado um escovamento com escova rotativa de aço inoxidável e limpeza com acetona para remoção de impurezas.
3.3.1.1 - Passe de raiz
À partir de testes iniciais, os parâmetros de soldagem para o passe de raiz foram definidos conforme na Tabela 8.
Tabela 8. Parâmetros utilizados no passe de raiz.
I (A) U (V) Vsold (cm/min) Valim (m/min) E (kJ/mm)
100 19 25 3,3 0,5
Durante os testes iniciais realizados, observou-se que o segundo passe de soldagem para as juntas nas condições J7 e J8 (nível de energia de soldagem 1,8 kJ/mm) danificaram a raiz das juntas devido à maior penetração ocasionada pelo aumento do aporte térmico, chegando a “furar” a raiz das juntas, como mostra a Figura 23. Assim, foi necessária a realização de um passe de soldagem com menor energia de soldagem para promover uma base na raiz da junta que suportasse a sobreposição de um passe de soldagem com maior nível de energia de soldagem. Nestes casos, foi realizado um passe de soldagem com energia de soldagem de 1,0 kJ/mm (mesma energia das condições J3 à J6) e os demais passes com uma energia de soldagem de 1,8 kJ/mm.
a) b)
Figura 23. Raiz da junta danificada em testes pela execução do segundo passe de soldagem com energia de 1,8 kJ/mm. Vistas a) superior e b) inferior da junta.
Assim, a soldagem dos primeiros passes das juntas (Figura 24) ocorreu da seguinte forma:
Primeiro passe de soldagem (passe de raiz): soldagem em curto-circuito utilizando os parâmetros na Tabela 8. Foi utilizado o mesmo parâmetro em todas as condições (nível de energia de soldagem em 0,5 kJ/mm).
Figura 24. Desenho esquemático do posicionamento do primeiro e segundo passe.
3.3.2 - Etapa 2: Caracterização microestrutural
3.2.2.1 - Preparação das amostras
Amostras do material como recebido e dos corpos de prova soldados foram cortadas para a preparação metalográfica utilizando uma serra de fita com fluido de corte para refrigeração.
As amostras foram lixadas utilizando as granulometrias: 100, 220, 320, 400, 600 e 1200. Após o lixamento as amostras foram polidas com pastas de diamante sintético de 3 μm, 1 μm e ¼ μm.
Para revelar a microestrutura adequadamente, foram utilizadas duas soluções para ataque eletrolítico: 20% NaOH e 40% HNO3. Para a quantificação das fases α e γ, decidiu-se pela utilização do ataque eletrolítico utilizando a solução 40% HNO3, com uma tensão de 1 V durante quatro minutos, devido ao bom contraste obtido entre as fases na zona fundida. A solução 20% NaOH foi utilizada com o objetivo de observar uma possível precipitação de fase σ, ulitando uma tensão de 2 V por um tempo de 20 segundos.
3.3.2.2 - Quantificação de fases
Foi realizada uma análise quantitativa do teor de ferrita pelo método de análise de imagens a partir das micrografias obtidas pelo MO nas regiões do reforço e raiz da ZF e ZAC das juntas, conforme indicado esquematicamente na Figura 25. Vale ressaltar que
a região da raiz analisada era composta pelo passe de raiz e do segundo passe de soldagem no qual, dependendo da condição, foi realizado com energia de soldagem diferente.
A técnica de análise de imagens se baseia na utilização de um programa que segmenta a imagem e quantifica a fração de área dos pixels da imagem segmentada, como exemplificado esquematicamente na Figura 26. Para este fim, utilizou-se o programa SVRNA, desenvolvido por Albuquerque et al (2007) 42..Este software realiza uma segmentação da imagem via rede neural artificial.
Figura 25. Regiões da junta onde foram retiradas as imagens para realização da quantificação.
Figura 26. Desenho esquemático ilustrando a segmentação da imagem para a quantificação das fases presentes.
A norma ASTM E 1245-03 43 foi tomada como referência para a realização das medições e disposição dos resultados. Como recomendação da norma, o resultado final foi obtido através do cálculo do desvio-padrão e do intervalo de confiança em nível de 95% para a distribuição t de Student. O intervalo de confiança é dado pela Equação 5.
√ Eq. 5
Onde s representa o desvio-padrão das medições, n o número de medições (imagens) e t o fator da distribuição t de Student. O fator depende do nível de confiança e do grau de liberdade das amostras (n -1). A Tabela 9 mostra os valores de t para um nível de 95%.
ZF
ZAC
Reforço
10 2,228 18 2,101
11 2,201 19 2,093
12 2,179 20 2,086
De posse do intervalo de confiança para cada medição, os resultados das medições por análise de imagens foram dispostos conforme a Equação 6.
Resultado de medição = Média das “n” medições + IC (95%) Eq. 6
3.3.2.3 - Espaçamento entre os grãos de austenita
Baseado na norma ASTM 1382-97 44, para contagem de grão por métodos computacionais, foi utilizado o programa ImageJ 1.44p para a quantificação do espaçamento médio entre os grãos de austenita nas regiões do reforço e raiz da ZF e ZAC. Dentre os métodos recomendados pela norma, utilizou-se o “comprimento médio da linha” (“mean linear intercept”) que se baseia na medição do comprimento da linha que cruza uma determinada fase a partir de linhas traçadas em posições aleatórias e em diferentes orientações na micrografia. Segundo os critérios adotados, o espaçamento mínimo entre as linhas deve ser maior que o espaçamento médio dos grãos. Neste trabalho, as medições foram realizadas à partir de três linhas horizontais e verticais em cada micrografia, como demonstrado na Figura 27. Após alguns testes iniciais, decidiu- se pela utilização de um espaçamento entre as linhas de 20μm.
Figura 27. Exemplo da disposição das linhas para a medição do espaçamento entre os grãos.
Os dados foram obtidos pelo programa à partir de um recurso que traça o perfil da imagem em cada linha, gerando um gráfico “Pixel vs. Comprimento”, como mostra a Figura 28. Assim, a medição do espaçamento médio se deu pela medição direta do espaçamento entre os picos, representando o comprimento da linha sobre a fase ferrítica.
a)
b)
Figura 28. Exemplo de medição do espaçamento conforme realizado em uma microestrutura em a) do metal de base e em b) o perfil dos pixel em relação ao comprimento da linha.
elementos metálicos, contudo, há limitações na quantificação de elementos como o C, N e O. Outra limitação da técnica é que o diâmetro do feixe normalmente utilizado entre 4 e 5 μm impede uma análise mais precisa de precipitados com diâmetros menores, devido ao feixe incidir também sobre a matriz. Apesar destas limitações o EDS é uma importante ferramenta na caracterização de estruturas e foi utilizado em diferentes regiões da microestrutura obtidas na soldagem das juntas.
3.3.3 - Etapa 3: Ensaios de corrosão
Amostras de cada junta soldada foram submetidas aos ensaios eletroquímicos de polarização potenciodinâmica e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE). Foram avaliadas amostras das regiões do reforço e raiz das juntas, por serem os locais expostos a um eventual ambiente corrosivo. Com o objetivo de avaliar uma condição geral da peça soldada, as amostras foram confeccionadas de forma a abranger regiões de interface entre cordões de solda (ZF) e entre cordão de solda e metal de base (ZAC), como indica o desenho esquemático na Figura 29.
Figura 29. Desenho esquemático indicando como foram retiradas as amostras submetidas aos ensaios eletroquímicos.
Vista superior da junta (Reforço) ZF ZAC ZAC Superfície da amostra submetida ao ensaio Vista inferior da junta (Raiz) ZF ZAC ZAC
3.3.3.1 - Ensaio eletroquímico de polarização potenciodinâmica
Os ensaios foram realizados em uma célula eletroquímica de três eletrodos. Utilizou- se um eletrodo de prata/cloreto de prata (Ag/AgCl) como eletrodo de referência (ER) e uma placa de platina como contra eletrodo (CE). O eletrodo de trabalho (ET) foi retirado de regiões das juntas como foi indicado na Figura 29. Após o corte, o eletrodo de trabalho foi embutido em resina acrílica, lixado e polido até o acabamento de 3 μm. Para evitar a corrosão por frestas, a interface entre o eletrodo de trabalho e a resina foi protegida com esmalte. Antes de se realizar o ensaio, as amostras foram fotografadas (para determinação da área efetivamente exposta do eletrodo de trabalho através da análise de imagens), lavadas em água destilada, álcool e secadas com ar quente. Utilizou-se uma solução naturalmente aerada com 3,56% NaCl. Os ensaios foram realizados com a temperatura da solução em 45ºC e 70ºC. O aquecimento foi realizado à partir de uma placa termostática com incerteza de + 2 ºC.
Como parâmetros do ensaio, a varredura de potencial, com velocidade de 1 mV/s, foi iniciada após o eletrodo de trabalho estar imerso por um tempo de 15 minutos para a estabilização do potencial de equilíbrio. A varredura foi encerrada quando a densidade de corrente atingiu o valor de 1 mA/cm2 e os ensaios foram realizados em triplicata. Com o objetivo de verificar os locais onde ocorreu a corrosão, a superfície das amostras submetidas à polarização foi analisada por MO e MEV após lavagem e secagem com acetona e água destilada, respectivamente. Algumas amostras foram, ainda, atacadas em solução 40% HNO3 para análise por MO e MEV da microestrutura que sofreu ataque corrosivo.
3.3.3.2 - Ensaio por espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE)
Os ensaios de polarização cíclica, apesar de amplamente utilizados, são geralmente criticados por provocarem uma alteração na condição da superfície do material (acúmulo de cargas) devido à grande mudança no potencial da amostra, se afastando da condição do material em uma condição real no ambiente exposto 43.
Apesar de ser uma técnica ainda pouco utilizada a EIE permite, com relativa simplicidade, a estimativa de parâmetros de resistência à corrosão bem como informações sobre o mecanismo de corrosão em um determinado sistema sem a alteração das condições da interface metal/solução. Aspectos teóricos relacionados à técnica são apresentados no Anexo.
Uma importante forma de análise de dados dos resultados obtidos por EIE é o ajuste da curva experimental por meio da simulação computacional de circuitos equivalentes. Neste trabalho, o programa IviumSoft v. 1.7 foi utilizado para o ajuste dos modelos de circuitos equivalentes. Este programa calcula o conjunto de parâmetros que melhor se ajustam aos dados experimentais através do método de regressão de Levenberg- Marquardt 43. Segundo Barsoukov e Macdonald (2005) 45, o ajuste das curvas pode ser considerado satisfatório quando o erro relativo for inferior a 3%. Assim, este parâmetro foi utilizado para a obtenção dos resultados.